Τι είναι 250 εκατομμύρια έτη φωτός μεγάλο, σχεδόν άδειο και γεμάτο απαντήσεις;
Η πιο σκοτεινή τρύπα στο σύμπαν βρίσκεται κοντά στον αστερισμό Boötes, τον άροτρο του βόρειου ουρανού. Αυτή η περιοχή, που ονομάζεται κενό, έχει διάμετρο 250 εκατομμύρια έτη φωτός και είναι σχεδόν εξ ολοκλήρου απαλλαγμένη από ύλη. Εάν επικεντρώνατε μια περιοχή του ίδιου μεγέθους στον Γαλαξία μας, θα βρείτε χιλιάδες γαλαξίες. Το κενό Boötes έχει μόνο 60. Κοιτάζοντας προς όλες τις κατευθύνσεις από το κέντρο του, ο κόσμος θα φαινόταν σκοτεινός και άδειος.
Αν οι γαλαξίες είναι πόλεις, τότε οι άκρες ενός κενού είναι τα προάστια και το κέντρο είναι η βαθύτερη ερημιά. Αλλά ένας άτλαντας δεν είναι πλήρης εάν περιλαμβάνει μόνο πόλεις και δρόμους. χρειάζεται επίσης τα κενά ενδιάμεσα. Οι επιστήμονες εισέρχονται ολοένα και περισσότερο στη βαθιά, σκοτεινή έρημο του κενού για να ολοκληρώσουν τον άτλαντα τους, και μαθαίνοντας έτσι για άλλες, μεγαλύτερες σκοτεινές παρουσίες στο σύμπαν μας.
Η σκοτεινή ύλη, για παράδειγμα, αποτελεί το 80 τοις εκατό της ύλης στο σύμπαν μας, αλλά ούτε εκπέμπει ούτε απορροφά φως. Επειδή όμως η βαρυτική του δύναμη συγκεντρώνει άτομα για να δημιουργήσει γαλαξίες και σμήνη γαλαξιών, τα αστέρια, το αέριο και η σκόνη που αποτελούν το ορατό υλικό του σύμπαντος αντανακλούν την υποκείμενη κατανομή της σκοτεινής ύλης. Όπου οι γαλαξίες είναι παχύτεροι, η σκοτεινή ύλη είναι πιο πυκνή. Το αντίστροφο ισχύει επίσης:Σε μια περιοχή κενή (ή σχεδόν τόσο) από γαλαξίες, η σκοτεινή ύλη θα πρέπει να είναι αραιή.
«Τα κενά είναι τεράστιες, ρηχές κοιλότητες στη σκοτεινή ύλη [κατανομή]», εξηγεί ο Joseph Clampitt, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια. «Οι γαλαξίες βρίσκονται στο κέντρο στενών, πανύψηλων κορυφών». Εάν χρησιμοποιείτε το ύψος ως βάση για την πυκνότητα, «ένας τυπικός γαλαξίας έχει το ίδιο ύψος και αποτύπωμα με το Empire State Building [και] ένα κενό μεσαίου μεγέθους θα ήταν μια τρύπα 3 ποδιών βάθους τρεις φορές το μέγεθος του Μανχάταν .» Βρείτε τα κενά, συμπληρώστε τον χάρτη της σκοτεινής ύλης σας.
Τα κενά μπορούν επίσης να πουν στους επιστήμονες για ένα άλλο σκοτάδι, που ονομάζεται σκοτεινή ενέργεια. Οδηγεί την επιτάχυνση της διαστολής του σύμπαντος, και επομένως το μέγεθος και τον αριθμό των κενών. Ο Peter Melchior, κοσμολόγος στο Κέντρο Κοσμολογίας και Αστροσωματιδιακής Φυσικής στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο του Οχάιο, λέει ότι μια μέτρηση της κατανομής των μεγεθών των κενών και των σχημάτων προφίλ θα βοηθούσε να εντοπιστεί αυτή η μυστηριώδης δύναμη. "Θα μας έδινε πληροφορίες σχετικά με το πόσο έντονα λειτουργεί η σκοτεινή ενέργεια, επειδή η [σκοτεινή ενέργεια] θα επηρέαζε την αύξηση του [κενού] μεγέθους με την πάροδο του χρόνου."
Όσο άδεια κι αν είναι, λοιπόν, τα κενά είναι γεμάτα υποσχέσεις. Το μόνο πρόβλημα είναι πώς μπορείτε να βρείτε ένα κενό στην απέραντη πληρότητα του χώρου;
Ακόμη και το τεράστιο κενό Boötes διέφυγε μέχρι το 1981, όταν ανακαλύφθηκε από τον Robert Kirshner και τους συνεργάτες του. Ενώ κατοικούμε σε ένα τρισδιάστατο σύμπαν, η άποψή μας για τον ουρανό είναι δισδιάστατη, επειδή η απεραντοσύνη του σύμπαντος εμποδίζει την αντίληψη του βάθους μας. Ένα κενό είναι και μεγάλο και ως επί το πλείστον κενό, αλλά οι γαλαξίες τόσο στο προσκήνιο όσο και στο παρασκήνιο το κρύβουν από τη θέα μας. Μόνο με τη μέτρηση αυτής της τρίτης διάστασης με όργανα ακριβείας μπορούμε να κατανοήσουμε πόσο απίστευτα τεράστιες και κενές είναι αυτές οι περιοχές.
Από την ανακάλυψη του κενού Boötes, οι αστρονόμοι έχουν βρει μια σειρά από παρόμοια άδεια μπαλώματα χρησιμοποιώντας παρόμοιες μεθόδους. Υπάρχει ακόμη και ένα κοντά στον Γαλαξία, που ονομάζεται δημιουργικά Τοπικό Κενό. Τα κενά είναι πανταχού παρόντα και διατίθενται σε διάφορα μεγέθη και σχήματα. Αλλά δεν αρκεί να γνωρίζουμε ότι υπάρχουν κενά:Οι επιστήμονες θέλουν να μάθουν πόσα υπάρχουν, πόσο μεγάλα είναι και πώς είναι κατανεμημένα στο χώρο και στο χρόνο.
Για να το πετύχουν αυτό, οι επιστήμονες στρέφονται στη βαρύτητα. Όλες οι μορφές ύλης και ενέργειας ασκούν μια βαρυτική δύναμη, η οποία με τη σειρά της επηρεάζει το μονοπάτι του φωτός, όπως προβλέπεται από τη γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν. «Η βαρυτική εκτροπή του φωτός κατά μάζα είναι παρόμοια με τα γνωστά αποτελέσματα ενός γυάλινου φακού ή ενός πρίσματος», λέει ο Clampitt - αν και είναι πολύ πιο δύσκολο να παρατηρηθεί. Όπου η ύλη είναι πυκνή, το φως επηρεάζεται έντονα, παράγοντας εντυπωσιακές πολλαπλές παραμορφωμένες εικόνες από μακρινά αντικείμενα. αυτό το φαινόμενο είναι γνωστό ως ισχυρός βαρυτικός φακός. Όπου σπανίζεται η ύλη, το αποτέλεσμα είναι ένας «αδύναμος φακός» που είναι πιο λεπτός:περιστροφή του φωτός, ελαφρά μεγέθυνση των γαλαξιών του φόντου και άλλες μικρές τροποποιήσεις που απαιτούν προσεκτική παρατήρηση για να ανιχνευθούν.
Αυτές οι διαφορετικές συμπεριφορές φακού μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εύρεση κενών. Όπως εξηγεί ο Clampitt, ένας γαλαξίας ή ένα σμήνος γαλαξιών θα παράγει μια υπογραφή βαρυτικού φακού «που είναι εφαπτομενική ή σε σχήμα κάννης», ενώ τα κενά «αποτυπώνουν ένα ακτινωτό μοτίβο ή ένα μοτίβο μαξιλαριού». Αν και τα μεμονωμένα κενά παράγουν πολύ αδύναμη βαρυτική υπογραφή για να ανιχνευθούν αξιόπιστα, ο Melchior και οι συνεργάτες του απέδειξαν φέτος ότι η βαρυτική υπογραφή πολλών κενών μαζί μπορεί να ανιχνευθεί. Πήραν 901 γνωστά κοσμικά κενά από το τεράστιο Sloan Digital Sky Survey (SDSS) και τα «στοίβαξαν», υπολογίζοντας τον μέσο όρο του φωτός που διέρχεται από αυτά για να εξαγάγουν τις γενικές βαρυτικές τους ιδιότητες. Ξεκινώντας από κενά που είχαν ήδη εντοπιστεί, η ομάδα συνέκρινε τα σήματα του φακού των κενών με αυτό που αναμένεται από τα θεωρητικά μοντέλα, για να δει αν τα κενά ήταν πραγματικά τόσο κενά όσο αναμενόταν. Ήταν—έτσι κομμάτια του Κόσμου με πολύ λίγους γαλαξίες έχουν επίσης πολύ λίγη σκοτεινή ύλη. Αυτή είναι μια αναμενόμενη αλλά ευχάριστη επιβεβαίωση της κοσμολογικής θεωρίας.
Στο Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια, ο Clampitt ακολούθησε μια συμπληρωματική προσέγγιση που δεν περιοριζόταν σε κενά που είχαν ήδη εντοπιστεί. Με τον αστροφυσικό Bhuvnesh Jain του Πανεπιστημίου της Πενσυλβάνια, έψαξε απευθείας στον κατάλογο SDSS για την αδύναμη υπογραφή βαρυτικού φακού που αναμένεται από τα κενά, χωρίς πρώτα να βασίζεται σε κατανομές γαλαξιών. Αυτό ανέδειξε περίπου 20.000 πιθανά κενά, τα οποία οι ερευνητές σχεδιάζουν τώρα να ελέγξουν σε σχέση με τα δεδομένα κατανομής των γαλαξιών.
Η χρήση του βαρυτικού φακού για την εύρεση κενών είναι νέα, λέει η Asantha Cooray, κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Irvine. «Πριν από αυτά τα δύο χαρτιά είχε χρησιμοποιηθεί αδύναμος φακός για τη μέτρηση των συγκεντρώσεων μάζας όπως τα σμήνη και οι ομάδες γαλαξιών. Οι μετρήσεις παρέχουν εκτιμήσεις με βάση τους φακούς για το μέγεθος του κενού… [και] επιβεβαιώνουν ότι υπάρχουν πράγματι μεγάλες περιοχές στο σύμπαν που στερούνται γαλαξιών», εξηγεί. Επιπλέον, αυτά τα έγγραφα επιβεβαιώνουν μια σημαντική πτυχή της θεωρίας του σχηματισμού γαλαξιών:η σκοτεινή ύλη σχηματίζει κόμβους και νήματα, με μεγάλα κενά διαστήματα μεταξύ τους.
Το κέντρο του κενού Boötes είναι σχετικά κοντά:περίπου 700 εκατομμύρια έτη φωτός μακριά από τη Γη. Ωστόσο, πολλά κενά είναι πολύ πιο μακριά από αυτό, διάσπαρτα στον ουρανό. Το SDSS και ο διάδοχός του το Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS), που εδρεύουν στο Apache Point Observatory στο Νέο Μεξικό, καλύπτουν ένα κομμάτι του ουρανού του βόρειου ημισφαιρίου, που επιλέχθηκε κυρίως για να κοιτάξει μακριά από το πιο παχύ μέρος του Γαλαξία. Άλλες έρευνες, συμπεριλαμβανομένων αρκετών που βρίσκονται στο στάδιο του σχεδιασμού, θα καλύψουν μεγαλύτερο μέρος του ουρανού, εξετάζοντας συγκεκριμένα τον ασθενή βαρυτικό φακό και τον φακό κενού.
Τα κενά, λοιπόν, θα είναι ένα σημαντικό μέρος του μέλλοντος της αστρονομίας — και, ως εκ τούτου, του ίδιου του σύμπαντος. Αυτό συμβαίνει επειδή, στο μακρινό μέλλον, ο κόσμος θα είναι περισσότερο κενός παρά όχι, χάρη στις ενέργειες της σκοτεινής ενέργειας. Ο κοσμικός ιστός θα θρυμματιστεί, αφήνοντας μόνο ψαλίδια στο βαθύ σκοτάδι του διαγαλαξιακού χώρου. Τρισεκατομμύρια χρόνια στο μέλλον, η ύλη, όχι τα κενά, θα είναι η εξαίρεση.
Ο Matthew R. Francis είναι φυσικός, επιστημονικός συγγραφέας, δημόσιος ομιλητής και εκπαιδευτικός.
